Krystalizacja i wytrącanie ultradźwiękowe

Ultradźwięki inicjują i wspomagają zarodkowanie oraz krystalizację cząsteczek organicznych. Kontrola tego procesu jest niezbędna do zapewnienia wysokiej jakości produktu końcowego. Zastosowanie sonikacji do krystalizacji i otrzymywania ciał stałych z cieczy znacznie przyspiesza proces, zmniejsza zużycie materiału i umożliwia kontrolowanie końcowej wielkości kryształów. Hielscher oferuje niezawodne i łatwe w obsłudze sonikatory do skutecznej krystalizacji i tworzenia ciał stałych, zarówno w procesach okresowych, jak i w linii procesowej lub in situ podczas reakcji.

Sonokrystalizacja i sonoprecypitacja

Zastosowanie fal ultradźwiękowych podczas krystalizacji i wytrącania wywiera różnorodny pozytywny wpływ na przebieg tych procesów.
Ultradźwięki dużej mocy pomagają

• tworzyć roztwory przesycone
• inicjować szybkie zarodkowanie
• kontrolować szybkość wzrostu kryształów
• kontrolować wytrącanie
• kontrolować formy polimorficzne
• ograniczać zanieczyszczenia
• uzyskiwać jednorodny rozkład wielkości kryształów
• uzyskiwać jednolitą morfologię
• zapobiegać niepożądanemu osadzaniu się na powierzchniach
• inicjować zarodkowanie wtórne
• usprawniać rozdzielanie fazy stałej i ciekłej

 

Różnica między krystalizacją a wytrącaniem

Zarówno krystalizacja, jak i wytrącanie są procesami zależnymi od rozpuszczalności, w których faza stała, czy to kryształ, czy osad, powstaje z roztworu po przekroczeniu jego punktu nasycenia. Różnica między krystalizacją a wytrącaniem wynika z mechanizmu powstawania fazy stałej oraz charakteru produktu końcowego.

Podczas krystalizacji następuje uporządkowany i stopniowy rozwój sieci krystalicznej, selektywnie tworzonej z cząsteczek organicznych, co ostatecznie prowadzi do uzyskania czystego i dobrze zdefiniowanego związku krystalicznego lub polimorficznego. Natomiast wytrącanie polega na szybkim powstawaniu faz stałych z roztworu przesyconego, w wyniku czego tworzą się krystaliczne lub amorficzne ciała stałe. Należy zauważyć, że rozróżnienie krystalizacji i wytrącania może być trudne, ponieważ wiele substancji organicznych początkowo występuje w postaci amorficznych, niekrystalicznych ciał stałych, które następnie przechodzą przemianę do rzeczywistej postaci krystalicznej. W takich przypadkach rozgraniczenie zarodkowania i tworzenia amorficznego ciała stałego podczas wytrącania staje się złożone.

Procesy krystalizacji i wytrącania zależą od dwóch podstawowych etapów: zarodkowania i wzrostu kryształów. Zarodkowanie rozpoczyna się, gdy cząsteczki substancji rozpuszczonej w roztworze przesyconym gromadzą się, tworząc skupiska lub zarodki, które następnie stanowią podstawę dalszego wzrostu faz stałych.

Typowe problemy w procesach krystalizacji i wytrącania

Krystalizacja i wytrącanie to zwykle procesy przebiegające albo bardzo selektywnie, albo bardzo szybko, przez co trudno je kontrolować. W rezultacie zarodkowanie na ogół zachodzi losowo, więc jakość powstających kryształów (osadów) pozostaje niekontrolowana. W związku z tym otrzymywane kryształy mają niedostosowaną do wymagań wielkość, są nierównomiernie rozmieszczone i mają niejednolite kształty. Takie losowo wytrącone kryształy powodują poważne problemy z jakością , ponieważ wielkość kryształów, ich rozkład i morfologia są kluczowymi kryteriami jakości wytrąconych cząstek. Niekontrolowana krystalizacja i wytrącanie oznaczają produkt niskiej jakości.

Rozwiązanie: krystalizacja i wytrącanie z zastosowaniem sonikacji

Krystalizacja wspomagana ultradźwiękami (sonokrystalizacja) i wytrącanie wspomagane ultradźwiękami (sonoprecypitacja) umożliwiają precyzyjną kontrolę warunków procesu. Wszystkie istotne parametry krystalizacji ultradźwiękowej można precyzyjnie regulować – co pozwala kontrolować zarodkowanie i krystalizację. Kryształy wytrącane przy użyciu ultradźwięków charakteryzują się bardziej jednolitą wielkością i morfologią bardziej zbliżoną do sześciennej. Kontrolowane warunki sonokrystalizacji i sonoprecypitacji zapewniają wysoką odtwarzalność i stałą jakość kryształów. Wszystkie wyniki uzyskane w małej skali można przenieść na większą skalę w sposób całkowicie liniowy. Krystalizacja i wytrącanie ultradźwiękowe umożliwiają zaawansowaną produkcję krystalicznych nanocząstek – zarówno w skali laboratoryjnej, jak i przemysłowej.

Wpływ kawitacji ultradźwiękowej na krystalizację i wytrącanie

Gdy fale ultradźwiękowe o wysokiej energii są sprzęgane z cieczą, naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia tworzą w niej pęcherzyki lub puste przestrzenie. Pęcherzyki te rosną przez kilka cykli, aż przestają być zdolne do pochłaniania dalszej energii, po czym gwałtownie zapadają się podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko takich gwałtownych implozji pęcherzyków jest znane jako kawitacja akustyczna i charakteryzuje się lokalnymi ekstremalnymi warunkami, takimi jak bardzo wysokie temperatury, duże szybkości chłodzenia, duże różnice ciśnienia, fale uderzeniowe i strugi cieczy.
Efekty kawitacji ultradźwiękowej wspomagają krystalizację i wytrącanie, zapewniając bardzo jednorodne mieszanie prekursorów. Rozpuszczanie ultradźwiękowe jest dobrze ugruntowaną metodą wytwarzania roztworów przesyconych. Intensywne mieszanie i wynikająca z niego poprawa transportu masy usprawniają tworzenie zarodków. Ultradźwiękowe fale uderzeniowe wspomagają powstawanie zarodków. Im więcej zarodków powstaje, tym drobniejsze są kryształy i tym szybciej przebiega ich wzrost. Ponieważ kawitację ultradźwiękową można bardzo precyzyjnie kontrolować, możliwe jest kontrolowanie procesu krystalizacji. Naturalnie występujące bariery zarodkowania są łatwo pokonywane dzięki siłom wywoływanym przez ultradźwięki.
Ponadto sonikacja wspomaga tak zwane zarodkowanie wtórne, ponieważ silne ultradźwiękowe siły ścinające rozbijają i deaglomerują większe kryształy lub aglomeraty.
Dzięki ultradźwiękom można uniknąć wstępnej obróbki prekursorów, ponieważ sonikacja poprawia kinetykę reakcji.

Wpływanie na wielkość kryształów za pomocą sonikacji

Ultradźwięki umożliwiają produkcję kryształów dostosowanych do wymagań. Trzy podstawowe warianty sonikacji mają istotny wpływ na uzyskiwany produkt:

• Sonikacja początkowa:
  Krótkotrwałe zastosowanie fal ultradźwiękowych do roztworu przesyconego może zainicjować zarodkowanie i tworzenie zarodków. Ponieważ sonikację stosuje się tylko na początkowym etapie, późniejszy wzrost kryształów przebiega bez zakłóceń, prowadząc do powstawania większych kryształów.
• Sonikacja ciągła:
  Ciągłe napromienianie roztworu przesyconego prowadzi do powstawania małych kryształów, ponieważ nieprzerwana sonikacja wytwarza wiele zarodków, co skutkuje wzrostem licznych małych kryształów.

• Sonikacja impulsowa:
  Ultradźwięki impulsowe oznaczają stosowanie ultradźwięków w określonych odstępach czasu. Precyzyjnie kontrolowane doprowadzanie energii ultradźwiękowej pozwala wpływać na wzrost kryształów, aby uzyskać dostosowaną do wymagań wielkość kryształów.

Sonikatory do usprawniania procesów krystalizacji i wytrącania

Procesy sonokrystalizacji i sonoprecypitacji można prowadzić okresowo lub w zamkniętych reaktorach, jako ciągły proces w linii procesowej albo jako reakcję in situ. Hielscher Ultrasonics dostarcza sonikator idealnie dopasowany do konkretnego procesu sonokrystalizacji i sonoprecypitacji – zarówno do celów badawczych w skali laboratoryjnej i na stanowiskach stołowych, jak i do produkcji przemysłowej. Nasza szeroka gama produktów zaspokaja Państwa potrzeby. Wszystkie sonikatory można ustawić na cykle pulsacji ultradźwiękowych – funkcja ta pozwala wpływać na wielkość kryształów, aby dostosować ją do wymagań.
Aby jeszcze bardziej zwiększyć korzyści wynikające z krystalizacji ultradźwiękowej, zaleca się stosowanie wkładki MultiPhaseCavitator firmy Hielscher do komory przepływowej. Ta specjalna wkładka umożliwia wtryskiwanie prekursora przez 48 cienkich kaniul, usprawniając początkowe tworzenie zarodków. Prekursory można precyzyjnie dozować, co zapewnia wysoki stopień kontroli procesu krystalizacji.

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: